长三角城市群2010年生态足迹与生态承载力分析

宋雪珺,王多多,覃飞,蔡永立,*

1.上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,上海 200241 2.华东师范大学生态与环境科学学院,上海 200241

1 前言

城市作为一个复杂的综合了生态,经济与社会等众多因素的系统,其可持续发展的能力的评价体制一直是研究的热点问题,并对城市未来的发展方向有极重要的指示意义[1-2]。自1987年《我们共同的未来》发表以来,可持续发展作为一种全新的发展观和发展模式,己经逐步从理论走向实践。生态足迹(Ecological Footprint,EF),最早于1992年由加拿大生态经济学家Rees提出,后经由其博士生Wackernagel进一步完善的一种理论和方法[3]。它是衡量人类社会可持续发展的一种重要方法,能够衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类所能提供的服务水平[3-5]。生态足迹法以基于生物生产性土地的量化指标和简便的计算方法而为广大学者采用[3],具有科学明晰,指标全面,易于操作和便于不同地区进行比较的众多优点[6-11]。

当前国内外对生态足迹的研究主要集中于三个方面。(1)基础理论研究。如对生态足迹法优缺点的探讨[12],对生态足迹模型的修正[13],对“全球公顷”的改进[14]。(2)面向全球,或针对某个国家或地区或更小尺度的研究。如对全球生态足迹的研究,对某一国家的研究[3],对某个省市的研究[15-17],对某所学校或社区的研究[18],对某一个体的研究[19]。(3)针对某些行业的研究。如对旅游生态足迹的探究[20],对交通生态足迹的探究[21]等。

2016年5月,国家发改委发布最新《长江三角洲城市群发展规划》[22]。规划中首次纳入安徽合肥都市圈,新的长三角城市群包含26个城市,包括上海、江苏9市、浙江8市和安徽8市。长三角城市群自然环境条件优越,气候宜人,物产丰富。区域内地形以平原为主,土地开发难度小。滨江临海,水系四通八达,产业发展、城镇建设受自然条件约束较小,是我国不可多得的工业化、信息化、城镇化、农业现代化协同并进的首要区域[22]。但从空间尺度看,当前对长三角城市群的生态足迹与生态承载力的研究多为单个城市或整个省的研究[23-25],尚缺乏大区域尺度尤其是包含安徽省城市的长三角城市群的生态足迹与生态承载力研究,而长三角城市群建设的一大目标就是构建适应资源环境承载能力的空间格局。本文希望通过对生态足迹与生态承载力的研究定量化衡量和评估长三角各市的资源与环境状况,同时为长三角区域协同合作提出参考建议。

2 研究区概况

长三角城市群位于长江入海口冲积平原,地势地平,大多数城市海拔在0—10米之间,零星散布一些孤山丘壑,属亚热带季风性气候,国土面积约21.17万平方公里,约占中国的2.2%。人口数量约占中国的11%[22]。长三角地区河川纵横,湖泊遍布,是中国河网密度最高的地区,水资源丰富,但水质较差。长三角地区中江苏、安徽的矿产资源比较丰富,包括能源矿产和非金属矿产。长三角地区是交通发达、经济发达的高城市化地区,集中全国约25%的经济总量,且增长率也远高于全国平均水平。长三角各市规模以大城市为主,新的规划拟构建“一核五圈四带”的网络化空间格局[22],如图1所示。

3 数据来源及研究方法

3.1 数据来源

人口数据:采用各地2010年常住人口,主要由2011年统计年鉴所得,部分由统计局网站中的2010年统计公报所得。

生态足迹数据:26市生物资源消费量和能源消费量均来自于各市2011年统计年鉴或2010年统计公报。极少数缺失2011年统计年鉴,采用最近的2012年数据填补。生物资源的生态生产性土地面积的折算中,全球平均产量粮食、蔬菜产量由世界粮农组织(FAO)提供的2001—2009年提供的总产量和总面积数据[26]求得,其他世界平均产量数据则参照了Wackernagel以及谢鸿宇等[3,27]所得。

图1 长三角城市群空间格局示意图[20]Fig.1 The spatial pattern of Yangtze River Delta urban agglomeration[20]

生态承载力数据:六类土地资源的面积的基础数据来源于National Geomatics Center of China(国家基础地理信息系统)2014年公布的2010年全国土地利用类型数据。对数据进行处理后得到各市各类土地资源的面积。

3.2 研究方法

3.2.1 生态足迹(EF)

式中:EF为总的生态足迹(hm2);N为人口数(人);ef为人均生态足迹(hm2·人-1);ci为i种商品的人均消费量(kg·人-1);pi为i种消费商品的平均产量(kg·hm-2);aai为人均i种交易商品折算的生物生产面积(hm2),i为所消费商品和投入的类型;Ai为第i种消费项目折算的人均占有的生物生产面积(hm2);rj为均衡因子。

人均生态足迹分量:

式中:i=1,2,3……m。Ai为第i种消费项目折算的人均生态足迹分量(hm2/人),Yi为生物生产土地生产第i种消费项目的年(世界)平均产量(kg·hm-2),Pi为第i种消费项目的年生产量(kg),Ii为第i种消费项目年进口量(kg),Ei为第i种消费项目的年出口量(kg),N为人口数(人)。由于进出口量相对于消费量极小,本文中不考虑进出口调整量。

3.2.2 生态承载力(EC)

式中:EC为总的生态承载力(hm2),ec为人均生态承载力(hm2·人-1),aj为人均生物生产面积(hm2),rj为均衡因子,yj为产量因子。出于谨慎性考虑,在生态承载力计算时扣除12%的生物多样性保护面积。

3.2.3 生态盈亏(ED)

生态盈亏是指生态足迹与生态承载力的差值,该指数表明某区域的生态状况[1]。正值表明生态承载力大于生态足迹,称为生态盈余。负值表明生态足迹大于生态承载力,称为生态赤字。

3.2.4 均衡因子及产量因子

式中:rj为均衡因子,kj为j类生物生产性土地的全国平均生产力(kg·hm-2),K为全国所有类别生物生产性土地的平均生产力(kg·hm-2)。

本文采用的均衡因子来自《中国生态足迹报告2012》[29],即耕地为2.39,草地为0.51,林地为1.25,水域为0.41,建设用地为2.39,化石能源用地为1.25。

式中:yj为产量因子,tj为某区域j类生物生产性土地的平均生产力(kg·hm-2),Tj为全国j类生物生产性土地的平均生产力(kg·hm-2)。

本文的研究区域为长三角城市群,故产量因子参考相关文献[30-32]综合所得。耕地:1.66,草地:1.25,林地:1.34,水域:0.97,建设用地:1.66,化石能源用地0.00。鉴于绝大多数建设用地均占用了可成为或本就是耕地的肥沃土地,因此建设用地的产量因子与耕地相同。而化石能源用地主要是指可吸收CO2的森林,因此其产量因子与林地相同[32]。

3.3 数据处理

对于长三角城市群26座城市的生态足迹,生态承载力与生态赤字的结构特征研究采用层次聚类法,将各城市的各类型生态足迹,生态承载力与生态赤字作为因变量带入Q型聚类分析中,通过欧式距离法将26座城市进行分类。所有数据的处理均在SPSS 20.0软件上完成。

4 结果与分析

根据生态足迹法计算出长三角26个市2010年的生态足迹、生态承载力以及生态赤字的情况,具体结果如表1、表2和图1、图2、图3所示。

4.1 生态足迹,生态承载力与生态盈亏的计算与分析

(1)就生态足迹而言,2010年长三角城市群平均人均生态足迹为3.5302 hm2·人-1,贡献最大的是耕地与能源用地,这两种生态足迹占到总人均生态足迹的96.02%,说明能源和粮食是长三角城市群最主要的资源消费,且这两种生态足迹的比例要高于我国其他省市[33-36]。2010年长三角城市群平均人均生态足迹表现为:平均人均能源用地足迹(2.0510 hm2·人-1)>平均人均耕地足迹(1.3385 hm2·人-1)>平均人均建设用地足迹(0.0456 hm2·人-1)>平均人均林地足迹(0.0365 hm2·人-1)>平均人均草地足迹(0.0304 hm2·人-1)>平均人均水域足迹(0.0282 hm2·人-1)(图 2)。

对26市生态足迹进行比较,人均生态足迹最高的是马鞍山(8.3293 hm2·人-1),贡献最大的是能源用地足迹,占到了总人均生态足迹的88.91%(7.4053 hm2·人-1); 最低的是芜湖, 为 1.2806 hm2·人-1,其贡献最大的是耕地足迹,为1.0131 hm2·人-1,占到了总人均生态足迹的79.11%。人均耕地足迹最高的是盐城(3.7521 hm2·人-1),最低的是上海(0.3303 hm2/人);人均林地足迹最高的是池州(0.3335 hm2/人),最低的是苏州(0.0013 hm2·人-1);就人均草地足迹来看,最高的是金华(0.1556 hm2·人-1),最低的是台州(0.0014 hm2·人-1);人均水域足迹最高的是舟山(0.3262 hm2·人-1), 最低的是金华(0.0034 hm2·人-1);就人均建设用地足迹最高的是南通(0.1026 hm2·人-1),最低的是苏州(0.0106 hm2·人-1);就人均能源用地足迹来看,最高的是铜陵(7.4053 hm2·人-1),最低的是舟山(0.1934 hm2·人-1)(表 1, 图 2)。

(2)从生态承载力来看,扣除12%的生物多样性保护面积后,长三角城市群平均人均生态承载力为0.4906 hm2·人-1,最主要的贡献是耕地,占到总人均生态承载力的72.85%。2010年长三角城市群的六种生态承载力的排序为:平均人均耕地承载力(0.3574hm2·人-1)>平均人均林地承载力(0.0786hm2·人-1)>平均人均建设用地承载力(0.0476 hm2·人-1)>平均人均水域承载力(0.0050 hm2·人-1)>平均人均草地承载力(0.0020 hm2·人-1)>平均人均能源用地承载力(0.0000

hm2·人-1)(图 3)。

表1 2010年长三角城市群生态足迹Tab.1 The ecological footprint of Yangtze River Delta urban agglomeration in 2010

图2 长三角城市群26市2010年生态足迹Fig.2 The ecological footprint of 26 cities in the Yangtze River Delta in 2010

对这26市的生态承载力进行比较,人均生态承载力最高的是池州,为1.1009 hm2·人-1;最低的是上海,为0.1010 hm2·人-1,仅为池州人均生态承载力的10%。人均耕地承载力最高的是滁州,为1.0648 hm2·人-1, 最低的是上海,0.0655 hm2·人-1;人均林地承载力最高的是池州,达0.6091 hm2·人-1,最低的是盐城、泰州、南通,均为0.0000 hm2·人-1,说明这些地区的林地资源较为匮乏;人均草地承载力最高的是池州,为0.0084 hm2·人-1,最低的是嘉兴、盐城、南通,均为0.0000 hm2·人-1,长三角城市群的草地承载力普遍偏低;就人均水域承载力来看,最高的是安庆,为0.0130 hm2·人-1,最低的是上海,为0.0007 hm2·人-1;就人均建设用地承载力来看,最高的是南通,达0.1026 hm2·人-1,最低的是苏州,为0.0106 hm2·人-1;因26市均未留有专门的吸收CO2的能源用地,故人均能源用地承载力均为 0.0000 hm2·人-1(表 2, 图 3)。

表2 2010年长三角城市群生态承载力Tab.2 The ecological carrying capacity of Yangtze River Delta urban agglomeration in 2010

图3 长三角城市群26市2010年生态承载力Fig.3 The ecological carrying capacity of 26 cities in the Yangtze River Delta in 2010

(3)长三角城市群所有城市都出现了生态赤字,26市平均人均生态赤字为3.0396 hm2·人-1,高于同为经济中心的珠三角[37],同时也说明长三角城市群的经济社会发展依赖于外来资源的输入。人均生态赤字最高与最低的城市都在安徽省。人均生态赤字最高的是达到7.3904 hm2·人-1的马鞍山,高于其生态承载力近7倍。最低的芜湖的生态赤字(0.5339 hm2·人-1)仅为马鞍山生态赤字的7.22%。生态足迹最高的三座城市马鞍山、铜陵、宁波也是生态赤字最高的三座城市。而生态承载力最低的四座城市上海,苏州,无锡和舟山却并非是生态赤字最高的城市,这说明人均生态赤字的变化主要取决于人均生态足迹的变化(图4)。

4.2 空间分布分析

图4 26市2010年人均生态足迹(a)、人均生态承载力(b)、人均生态赤字(c)排序Fig.4 The sequence of per capita ecological footprint(a),per capita ecological carrying capacity(b)and per capita ecological deficit(c)of 26 cities in 2010

利用GIS 10.2软件对数据进行自然分等定级,可以明显看到在空间分布上生态足迹、生态承载力与生态赤字呈现不均衡分布。长三角城市群人均生态足迹较高的地区呈“三角型”分布(图5(a)):以制造业为主的浙江沿海的嘉兴,绍兴和宁波;以钢铁重工业为支柱产业的安徽省长江沿岸的马鞍山与铜陵;以及农产品输出地江苏省北部的盐城。从人均生态承载力上看,苏南城市无锡,苏州以及上海的生态承载力最低,再向外则不断上升,呈“扇形”分布(图5(b))。除了总生态承载力的差异外,人口的不同也是造成这种情况的重要原因,人口最多的上海、苏州都达到了千万以上。相比于江苏省和浙江省的长三角城市,位于安徽省的长三角城市有着较高的生态承载力,体现其较为突出的自然资源优势。从人均生态赤字上看,沿海城市高于内陆城市,除人均生态足迹极高的马鞍山与铜陵,呈“沿海-内陆递减”的分布形态(图5c)。需要我们注意的是,上海、南京、杭州、合肥这四个GDP总量突出、城市规模较大的中心城市的生态足迹,生态赤字在长三角地区处于一个中等的状态。而一些中小城市如嘉兴,马鞍山和铜陵却有着相对较高的生态赤字,将严重影响这些城市的可持续发展。

4.3 长三角城市群不同类型生态足迹,生态承载力与生态赤字的结构特征分析

对26市的各类型人均生态足迹进行聚类分析,在类间距离4到5的区间将长三角26市分为5大类(图6):I:能源高消耗型。代表城市为安徽铜陵与马鞍山。由于其消耗能源与电力的工业相对发达,使得其人均能源生态足迹远远高于其他长三角城市。II:能源与水域高消耗型。代表城市为浙江宁波。其也有发达的工业,且同时水产品消耗很大,其人均能源生态足迹和人均水域生态足迹相较都比较突出。III:耕地高消耗型。江苏盐城,安徽滁州和浙江嘉兴。大量的农产品生产造成耕地的生态足迹相对较高,但能源与建设用地的人均生态足迹相对较低。IV:耕地低消耗型。包含上海、浙江舟山、苏南的苏州、无锡、常州、镇江以及南京。这类人均耕地生态足迹相对较低,同时人均能源生态足迹高于长三角其他城市(低于第I和II类城市)。V:消耗均衡型。包含长三角剩余的所有城市,特征为各类型生态足迹较为平衡。

对26市的各类型生态承载力进行聚类分析,在类间距离6到10的区间将长三角26市的各类型生态承载力分为4大类(图7)。I:自然资源丰富型。代表城市为安徽池州、宣城。其生态承载力特征为林地以及草地的生态承载力相对较高,但建设用地承载力较低。这类城市的经济发展水平在长三角地区相对较低,但自然环境条件较好。II:建设用地丰富型。包括安徽芜湖、马鞍山、合肥以及江苏盐城。其生态承载力特征为自然资源的承载力较低,但建设用地承载力较高。这类城市在长三角地区处于经济快速发展阶段,较高的建设用地为其提供了较好的发展条件,但自然资源承载力的不足也使得其依赖于外来资源。III:建设用地与自然资源丰富型。代表城市为滁州。该市的水域、草地和建设用地的生态承载力都较高。 IV:资源匮乏型。包含长三角剩余的所有城市。其生态承载力特征为各类型生态承载力都较低,说明这些城市的各项自然资源都十分匮乏,极其依赖于外来资源的输入。

图5 26市2010年人均生态足迹(a)、人均生态承载力(b)、人均生态赤字(c)空间分布Fig.5 The spatial distribution of per capita ecological footprint(a),per capita ecological carrying capacity(b)and per capita ecological deficit(c)of 26 cities in 2010

图6 26市2010年各类型生态足迹聚类分析结果Fig.6 The clustering results of 26 cities’different types of ecological footprint in 2010

图7 26市2010年各类型生态承载力聚类分析结果Fig.7 The clustering results of 26 cities’different types of ecological carrying capacity in 2010

对26市的各类型人均生态赤字进行聚类分析,在类间距离2到3的区间将长三角26市分为6大类(图8):I:能源问题突出型。包含安徽马鞍山和铜陵。与生态足迹对应,这类城市的第二产业以钢铁、石化等极其依赖化石燃料的重工业为主,超高的能源生态足迹造成严重的能源生态赤字。II:能源与水域问题突出型。代表城市为宁波。同样与生态足迹对应,重工业及其渔业消耗了大量的能源用地与水域用地,使得宁波这两种用地的人均生态赤字较大。III:耕地短缺突出型。代表城市为江苏盐城。大量的农产品生产已严重超过其耕地的生态承载力,使得其相应的生态赤字较为严重。IV:建设用地短缺突出型。包含上海、浙江舟山、安徽池州以及苏南的苏州、常州、无锡、镇江、南京。较高的经济发展水平要求较多的建设用地,所以这类城市的建设用地生态赤字较高。但这8座城市的耕地生态足迹普遍偏低,所以耕地生态赤字较小。V:短缺均一型。各类型都存在生态赤字,相比于其他类城市(除第VI类外)短缺问题相对缓和。VI:可持续发展型。其作为长三角人均生态赤字最小的城市,林地与建设用地呈生态盈余,且其他用地的生态赤字都很小,说明芜湖有极高的可持续发展潜力。

5 结论与讨论

根据本文的分析,得到以下结论:(1)2010长三角城市群26市的人均生态足迹都大于人均生态承载力,所有城市均出现了生态赤字。整个长三角城市群处于不可持续发展的状态,区域内城市自身资源与环境条件无法满足大量人口的消耗以及高速经济发展的要求。(2)从空间角度看,26座城市间的生态足迹,生态承载力与生态赤字有较大差异。在长三角地区,位于内陆安徽省的城市生态承载力要高于沿海的浙江省、江苏省和上海,而沿海城市的生态赤字要高于内陆城市。(3)从生态足迹,生态承载力和生态赤字的类型结构看,长三角26市之间特征区分明显,各区域间可以形成资源的相对互补。

图8 26市各类型生态赤字聚类分析结果Fig.8 The clustering results of 26 cities’different types of ecological deficit in 2010

针对长三角地区的生态足迹与生态承载力的现状,区域尺度内的统筹协调规划显得极为重要。对此有几点建议:(1)完成长三角城市群的产业升级与转型势在必行,将沿海城市的制造业升级为更为环境友好的高新技术产业,着力提升金融、服务等第三产业在经济中所占的比例。而内陆城市选择性承接沿海城市的低能耗制造业。(2)为降低沿海城市非生产性生态足迹的巨大消耗,引导人口从稠密的城市向人口压力相对较小的城市也是值得考虑的一种手段。(3)需要加强对长三角城市群的生态敏感区(如苏北地区、长江沿岸城市)的生态保护,重点保护耕地,林地和水域,不能一味地为了经济发展而盲目开发建设用地。(4)在区域间协同合作方面,如安徽省各市(除铜陵外)生态承

载力较高,在自然资源供给方面可给予上海、苏州、无锡等生态承载力较低的城市一些支持;上海、杭州、南京等生态足迹相对较低的城市应更多的分享其资源利用效率增强、高新技术产业发展的经验,帮助马鞍山、铜陵、宁波等市提高资源利用效率,发展高新产业。

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